армовані композити
Армовані композити це найбільш цікаві та перспективні матеріали сучасної техніки. Їх розробкою займаються сотні лабораторій у всьому світі. Ідея, покладена в основу цих розробок, проста і зрозуміла. Щоб зміцнити якийсь матеріал (матрицю), потрібно ввести в нього волокна, мають більшу, ніж матриця, міцність. При цьому вони повинні бути надійно пов'язані з матрицею і розташовані таким чином, щоб сприймати основне навантаження, що діє на матеріал.

Цю ідею ніяк не можна визнати нової. Якщо згадати про цеглинах з соломою, відомих тисячі років, про залізобетон. винайденому понад 100 років тому, про полімери, зміцнених натуральними волокнами, які були створені на початку XX століття, і ін. Але зараз ідея армування постала в новому світлі.
Властивості армованих матеріалів
Армовані матеріали раніше не розглядалися як надміцні, наджорсткі, сверхвязкой, надпровідні і т. П. А тепер саме від них очікують всіх цих «понад ...» І не тільки очікують, але і отримують властивості, недосяжні в звичайних матеріалах. Армовані композити з кожним роком завойовують нові області застосування - від тенісних ракеток і лиж до літаків і космічних кораблів.
Поставте себе на місце конструктора, який все життя проектував деталі зі сплавів, а тут йому кажуть, щоб він сконструював їх з вуглепластика. Ні вугілля, ні смола не можуть вселити довіри людині, що знає, як тендітні, неміцні і ненадійні вони.
І непросто переконати його, що композиція з вуглецевих волокон і смоли - це зовсім не те, що вугілля і смола окремо. Немає у нього в цьому впевненості. Вона приходить тільки як результат досвіду, а щоб досвід з'явився, потрібно зважитися на застосування нового матеріалу там, де його застосовувати побоюєшся. Ось і виходить замкнуте коло, розірвати яке іноді важче, ніж найміцніший матеріал.

Для матеріалознавців армовані композити теж були незвичні, тому до пори до часу займалися ними не дуже активно. Але починаючи з 60-х років ХХ ст. ситуація різко змінилася. Причина була досить вагомою, щоб загострити інтерес до армованим матеріалами до межі. Ця причина - важлива особливість армованих композитів, що відрізняє їх від традиційних матеріалів - їх різко виражена анізотропія.
Анізотропія і изотропия
Анізотропія - залежність властивостей матеріалу (середовища) від напрямку. А є ще поняття изотропия - незалежність властивостей від напрямку. Отже, у изотропного матеріалу властивості у всіх напрямках однакові, а у анизотропного - різні. Ізотропним є цегла, крейда, віск, сталева виливок, шматок глини; анізотропними - дерево, слюда, кістка, фанера. (Докладніше: біокомпозіти).
Поодинокі кристали (монокристали) завжди анізотропні. У них атоми розташовані впорядковано, і це призводить до того, що в різних напрямках між атомами різні відстані, різна величина сили взаємодії, а отже, і різні властивості.
метали ізотропні
Більшість металів і сплавів, з якими зазвичай доводиться мати справу, практично ізотропні. хоча вони мають кристалічну будову. У чому тут протиріччя, адже тільки що стверджувалося, що кристали анізотропні.
Протиріччя немає. Звичайні метали та сплави мають полікристалічні будову. Це означає, що вони складаються з великого числа маленьких кристаликів (зерен), що мають розміри від декількох мікрометрів до декількох міліметрів, кожен з яких може займати будь-яке положення в просторі.
Таке хаотичне розташування зерен призводить до усереднення властивостей полікристала в усіх напрямках, і він набуває ізотропію. Якщо ж зерна зорієнтувати в якомусь напрямку (за допомогою прокатки, пресування, волочіння і т. П.), Полікристал стає анізотропним. Але ця анізотропія порівняно слабо виражена, вона виходить як наслідок пластичної деформації матеріалу.
Армовані композити анізотропні
У армованих композитах анізотропія є конструкційної, тобто вона закладається в матеріал спеціально, виходячи з умов його майбутньої роботи. І виражена вона зазвичай дуже різко.
Це добре чи погано? Все залежить від конкретних обставин. В одних випадках потрібні ізотропні матеріали, в інших - анізотропні. Але якщо добре розібратися, то виявиться, що часто ізотропні матеріали застосовуються там, де изотропия не потрібна.
Матеріал для лопаток газової турбіни
Припустимо, потрібно розробити матеріал для лопаток газової турбіни. Ці лопатки обертаються дуже швидко, і інерція створює в них великі розтягують напруги, спрямовані вздовж радіуса обертання. Назвемо цей напрямок радіальним. В інших напрямках, зокрема, в окружному (уздовж дотичної до кола обертання) напруги маленькі. Ми, природно, повинні розраховувати лопатку на найбільші напруги, інакше вона зруйнується.

Якщо лопатка виготовлена з ізотропного матеріалу і розрахована на радіальні навантаження, то в окружному напрямку у неї виходить великий надлишок міцності. Така міцність в цьому напрямку абсолютно не потрібна, але нічого не поробиш, надлишок закладений в самій природі використовуваного матеріалу.
Створення анизотропного матеріалу
А ось створюючи анізотропний матеріал. можна регулювати його властивості в різних напрямках відповідно до діючих в ньому напруженнями. У тому напрямку, де вони більше, зробити його більш міцним, а де малі - менше. Як це здійснити практично? Досить просто - шляхом армування. В одному напрямку укласти більше волокон, в іншому - менше.
Настільки звичний для традиційного матеріалу питання - яка його міцність (твердість, електроопір, теплопровідність і т. П.) - сам по собі для армованих композитів позбавлений сенсу. Він обов'язково вимагає відповідного питання: а в якому напрямку? Тому що армовані композити - це матеріали анізотропні, і їх властивості в різних напрямках можуть відрізнятися в десятки разів.
Наприклад, епоксидна смола, зміцнена паралельними волокнами бору, має вздовж волокон межа міцності понад 1000 МПа, а в поперечному напрямку - менше 100 МПа. В одному напрямку армований композит може бути провідником, а в іншому - діелектриком (наприклад, вуглепластики).
Для характеристики анізотропного матеріалу потрібно більше показників, ніж для ізотропного. Це залежить від характеру анізотропії.
модуль Юнга
Розглянемо це питання на прикладі однієї з характеристик матеріалу - модуля пружності або модуля Юнга.
Для початку розберемося, що це таке. Хоча в шкільній програмі модуль Юнга числиться, суть його чомусь погано запам'ятовують. Те, що міцність - це напруга, при якому матеріал руйнується, засвоюється легко. А ось що в математичного запису закону Гука (σ = Еε), який встановлює пропорційність напруги σ і пружною відносної деформації матеріалу ε, є коефіцієнт пропорційності Е, званий модулем пружності, або модулем Юнга, пам'ятають далеко не всі.
Цей коефіцієнт - дуже важлива характеристика матеріалу, яка визначає його поведінку під навантаженням. Чим більше Е, тим більш жорстким є матеріал, тим менше він деформується при заданому навантаженні. Величина Е входить в багато формули, що визначають гранично допустимі навантаження конструкцій. Вона визначає жорсткість матеріалу. Для багатьох конструкцій поряд з абсолютною величиною Е важлива величина питомої модуля-відносини Е / γ (γ - щільність матеріалу). Начебто нескладно.
А тепер спробуйте зрозуміти наступне:
Модуль пружності будь-якої речовини є стовп цієї речовини, здатний виробляти тиск на свою основу, яке так відноситься до ваги, що викликає певну ступінь стиснення, як довжина речовини до зменшення цієї довжини.
Після прочитання цієї головоломки у самого допитливого людини напевно пропаде бажання мати справу з модулем пружності і зрозуміти, що це таке.
Тим часом, визначення дано в 1807 році самим Юнгом - він вперше ввів цю характеристику матеріалу. Інженери почали користуватися нею приблизно через півстоліття. Не виключено, що стільки часу їм знадобилося, щоб прийти в себе після прочитання юнговского визначення.
Складність викладу Юнгом легко пробачити. У його час ще не існувало понять напруги і деформації, а спробуйте визначити, що таке Е без цих понять. Крім того, він був великим ученим, а великим багато прощається, в тому числі і заплутаність формулювань.
Якщо матеріал изотропен, то у нього один модуль Юнга (як і один межа міцності, одне електроопір, один коефіцієнт термічного розширення і т. Д.). А якщо матеріал анизотропен - то як мінімум два, а може бути, і більше.
Візьмемо простий випадок анізотропного армованого матеріалу, коли все волокна орієнтовані в одному напрямку. Такий композит відноситься до трансверсально-ізотропним (або транстропним) матеріалами. Якщо модуль Юнга волокон більше, ніж матриці, то вздовж волокон жорсткість композиту буде вище, ніж в поперечному напрямку.
Для характеристики такого композиту потрібно ввести два модуля пружності: один, що враховує залежність деформації від напруги в напрямку, паралельному волокнам (Е ‖) інший - в перпендикулярному напрямку (Е perp). У будь-якому іншому напрямку величина Е може бути розрахована за відомими значеннями Е perp і Е ‖.
Інші характеристики анізотропних матеріалів
Крім модуля Юнга до числа пружних постійних матеріалу відносяться модуль зсуву, коефіцієнт об'ємного стиснення, коефіцієнт Пуассона. І все, що говорилося про модуль Юнга, можна застосувати до цих характеристик теж.
Ізотропні матеріали мають всього три незалежні пружні постійні, трансверсально-ізотропні - п'ять, орто-тропний (до яких відносяться композити, армовані в двох взаємно напрямках) - дев'ять. У найзагальнішому випадку анізотропного матеріалу число його пружних характеристик може доходити до 21.
Все вищесказане відноситься і до міцності. При описі теплопровідності, теплового розширення, електропровідності та інших фізичних властивостей анізотропних матеріалів також потрібно вводити для різних напрямків свої показники.
анізотропні системи
Зрозуміло, що вирішувати завдання, пов'язані з поведінкою анізотропних систем. набагато складніше, ніж ізотропних. Для їх вирішення довелося розробляти спеціальні методи, створювати теорію анізотропних середовищ. Поява нових армованих матеріалів стимулювало проведення цих розробок.
При визначенні властивостей анізотропних матеріалів доводиться відчувати набагато більше зразків, ніж при випробуваннях ізотропних. Наприклад, для виявлення всіх пружних постійних ортотропного матеріалу потрібно випробувати на розтяг шість різних зразків, для ізотропного - досить одного.

При випробуваннях анізотропних композитів потрібно враховувати особливості їхньої поведінки, у звичайних матеріалів відсутні. Так, при розтягуванні в них можуть з'являтися зсувні деформації, і стрижень, який мав форму прямокутного паралелепіпеда, деформуючись, стане косокутних параллелепипедом.
Вигин круглого циліндричного зразка з анізотропного композиту може супроводжуватися втратою форми кола, викривленням і закручуванням його осі та ін. Всі ці особливості вимагають уваги при розрахунку конструкцій з анізотропних матеріалів.
А такі конструкції все ширше використовуються в техніці. Величезні цистерни для зберігання різних рідин, корпусу підводних човнів і ракет, сферичні судини різноманітного призначення, лопаті гвинтів вертольотів, лопатки авіаційних турбін, кузова автомобілів, несучі конструкції сонячних батарей і інші вироби найрізноманітніших форм і розмірів сьогодні виготовляють з анізотропних матеріалів. Причому виготовляють раціонально, конструюючи одночасно і виріб, і матеріал.
Мабуть, це одне з найголовніших переваг анізотропних композитів - можливість конструювання матеріалу під заданий виріб, з урахуванням умов роботи цього виробу.
Наприклад, якщо відомо, що в циліндричній посудині напруги в окружному напрямку будуть в два рази більше, ніж в осьовому, то, розмістивши по колу в два рази більше волокон, ніж по осі, ми забезпечимо приблизну равнопрочность армованого композиту в цих напрямках. Це і буде раціональне проектування судини для даного випадку.
Часто виріб і композиційний матеріал під нього не тільки проектуються спільно, а й одночасно виготовляються. Це дуже важливо в економічному відношенні, оскільки виключаються операції обробки тиском і різанням, зварювання і т. П. Які необхідні для виготовлення деталей із звичайних ізотропних матеріалів.
Причиною яка пробудила настільки гострий інтерес до армованим композитів. послужило усвідомлення того факту, що на тонких волокнах можна отримати набагато більші значення міцності, ніж на масивних матеріалах.